4-1非接触式机械端面密封技术

H《非接触式机械密封技术》专题讲座主讲人:郝木明,孙鑫晖实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念中国石油大学密封技术研究所山东省东营市东营区北二路271号,电话:[phone](传真),1350546236813356837188,[e-mail],Http://www.hsseal.comH目录•1．非接触式机械密封概述•2．非接触式机械密封工作原理•3．非接触式机械密封与接触式机械密封比较•4．影响非接触式机械密封性能的主要参数•5．非接触式机械密封典型结构•5.1离心压缩机用非接触式机械密封•5.2离心泵用非接触式机械密封•5.3低速搅拌器用非接触式机械密封•6．非接触式机械密封监控系统H1．非接触式机械端面密封概述包括：气膜润滑非接触式机械密封(GasLubricatedNon-contactingMechanicalSeal）：简称“气膜密封”或“GasFilmSeal”，广泛称之为“DryGasSeal”。液膜润滑非接触式机械密封（liquidLubricatedNon-contactingMechanicalSeal）：简称“液膜密封”或LiquidFilmSeal）H1．非接触式机械端面密封概述•基于现代流体动压润滑理论的新型非接触式机械密封。与普通接触式机械密封相比，气膜密封与液膜密封可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出（即工艺流体的液态泄漏量和气态逸出量等于零），彻底消除对环境的污染；同时，由于密封端面之间无直接的固体摩擦磨损而具有使用寿命大大延长、密封可靠性显著提高、运行维护费用显著下降、经济效益明显提高等技术优势，在国外已在各种旋转流体机械上推广应用。H理论基础：1886年，雷诺(Reynolds)提出润滑理论的基本方程（即N-S方程）。thhUxyphyxphx21212033压差流剪切流挤压流HJFH2.非接触式机械密封工作原理图1气膜密封结构示意图2.1气膜密封H气膜密封的基本组成动环弹簧盒静环动环O形圈推环静环O形圈弹簧弹性元件Ha密封端面结构b下游泵送原理图2气膜密封工作原理气膜密封的工作原理HH图3气膜密封力平衡示意图HH2.2液膜密封工作原理•下图为普遍采用的液膜润滑螺旋槽上游泵送机械密封端面结构。若动环外径侧为高压被密封液体（规定为上游侧或高压侧），内径侧为低压流体（可气体亦可液体，规定为下游侧或低压侧），当动环以图示方向旋转时，在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下，动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜（图b所示h0），使动静环端面保持分离即非接触状态。在外径与内径压力差的作用下，高压被密封液体产生方向由外到内的压差流Qp，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流Qs的方向由内径指向外径，与压差流Qp的方向相反，此为上游泵送概念的由来。•上游泵送机械密封包括零泄漏密封和零逸出密封两种。Ha密封端面结构b上游泵送原理图4上游泵送机械密封工作原理H图5零逸出液膜密封力学分析HH2.3气膜密封的产生及发展•上世纪六十年代初，首次基于气体润滑轴承理论提出气膜密封（DryGasSeal)概念，并试图应用于航空发动机上。•1969年，英国约翰克兰(JohncraneInternational)公司并开始从事气膜密封的研究。•1976年，约翰克兰公司设计制造的第一套气膜密封在海洋平台输气管线离心压缩机上得到使用。•1985年，美国杜拉美特立公司掌握气膜密封技术并开始制造气膜密封。•1987年，1988年德国的Burgmann公司和美国的EG&GSEALOL公司开始从事气膜密封生产制造。•1988年，中国石油大学开始从事气膜密封研究工作。•上世纪九十年代初，约翰克兰公司开发出泵用气膜密封产品。•1992年，约翰克兰公司气膜密封产品随高速透平离心压缩机进口中国。•1996年，国产气膜密封产品在巴陵石化鹰山石油化工厂首次使用。•至今，已开发出系列透平机组、各类转子泵、多种低速搅拌设备用气膜密封产品并不断推广应用。H2.4气膜密封产品的主要技术指标密封公司压力，MPa温度，℃周向速度m/s轴径，mmJohnCrane45400200330Burgmann20550200300Flowserve23230200300国内15200150300H3.非接触式密封与机械密封比较气膜密封机械密封应用时间1976年1900年工作原理气膜润滑、非接触式密封混合摩擦润滑、接触式密封使用寿命3年以上平均1年左右功率消耗不足机械密封的5%与密封轴径、转速有关辅助系统辅助系统简单、可靠性高、使用中无需维护、无功率消耗。密封辅助系统复杂，需专用阻塞流体泵送及压力控制系统，压力控制要求严格；辅助系统故障率高，运行、维护成本高。对工艺影响程度密封介质为工艺气体本身或氮气，对工艺无任何影响。密封介质为液体，密封介质泄漏进入工艺流程后会对后续工艺产生极大影响，甚至破坏工艺造成停产。对环境污染程度仅有微量氮气往大气泄漏，对环境无污染，是环保型密封。有密封油或工艺介质泄漏，对环境有一定污染。泄漏量过大时对生产带来较大安全隐患。运行费用一次性投入大，运行成本极低一次性投入小，运行成本高H各种密封系统的泄漏对比（计算结果）计算数据：直径为140,转速为5000rpm，下游压力为0.6MPa，上游压力为0.75MPa，密封介质为空气，阻塞介质为油。密封形式特征值质量泄漏量(kg/h)气体泄漏量（m3/min)气体润滑迷宫密封15个齿141.61.82碳环密封4环,各10mm,0.05mm间隙28.80.37气膜密封膜厚5微米4.80.06液体润滑油泄漏介质侧大气侧kg/hL/hkg/hL/h浮环密封2环,各20mm,0.05mm间隙6.67.231.836机械密封膜厚1微米0.0660.0720.090.102H图6双端面密封辅助系统H图7气膜密封辅助系统H气膜密封的技术优势：理论、试验研究和工业应用表明，与普通接触式机械密封相比，气膜机械密封具有以下系列技术优势：•零泄漏或零逸出（统称零逸出），实现环保功能。•密封可靠性大大提高，使用寿命相应延长。在理想工作状态下，由于密封摩擦副处于非接触状态，端面之间不存在直接的固体摩擦磨损，理论使用寿命无限长。•能耗明显下降，经济效益显著。工业应用结果表明，气膜密封的能耗不足普通接触式机械密封的1/20，而且，用于降低端面温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少，相应提高了泵效甚至工艺装置的生产效率。•辅助系统相对简单。与双端面接触式机械密封相比，气膜密封装置无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调控系统，只需供给洁净干燥的中性气体，其压力应高于密封介质的压力，但无须循环，消耗量也小。•使用范围拓宽。与普通接触式机械密封相比，气膜密封可以在更高PV值、高含固体颗粒介质等条件下使用。H实例对比1（气膜密封）某石化公司氯碱厂一原料泵（轴径为35mm）为例：原来采用接触式机械密封，后改为气膜密封，使用效果对比如下表：比较内容接触式单机械密封双端面气膜密封泄漏运行一开始出现泄漏无泄漏使用寿命不超过6个月三年以上产品价格1650元/套13000元/套+3000元系统费用3年备件费用9900元16000元摩擦功耗0.85kW0.05kW3年电能消耗20196kW，10098元1188kW，594元密封水气消耗每分钟3升脱盐水，3年消耗4277吨，合计64152元0.04NM3/小时氮气，3年消耗950NM3氮气，合计950元费用核计84150元17544元节约费用66606元H实例对比2（液膜密封）中铝公司某氧化铝厂一进料泵（轴径为80mm）为例：原来采用接触式机械密封，后改为双端面液膜密封，使用效果对比如下表：比较内容双端面集装式机械密封双端面集装式液膜密封泄漏运行不久出现泄漏无泄漏使用寿命不超过3个月半年以上产品价格6,500元/套21,000元/套年备件费用26,000元42,000元摩擦功耗8.85kW0.5kW半年电能消耗38,232kW，19,116元2,160kW，1080元半年水蒸汽消耗0.39吨/小时，103元/吨，合计17,3534元0.01吨/小时，103元/吨，合计4450元一年费用核计218,650元26,530元年节约费用192,120元H原机械密封使用情况H液膜密封使用情况H4.影响非接触式密封性能的主要参数气膜密封的性能主要体现在密封的泄漏量和使用寿命的矛盾上。影响气膜密封泄漏量的直接因素就是气膜厚度，即气膜密封运转时密封面间形成的工作间隙。将影响气膜密封性能的参数分为密封结构参数和密封操作参数。1.密封结构参数1.1密封端面动压槽形状（下图）从流体动力学角度来讲，在气膜密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应。理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为气膜密封动压槽而形成的气膜刚度最大，及气膜密封的稳定性最好。1.2密封端面动压槽深度理论研究表明，气膜密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时密封的气膜刚度最大。实际应用中，气膜密封的动压槽深度一般在3—10微米。在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。1.3密封端面动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度理论研究表明，气膜密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强。不过，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对气膜密封性能影响已经很小。此外，气膜密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。H气膜密封端面结构H液膜密封端面结构H气膜密封端面结构双向旋转功能的“T”型槽H气膜密封端面结构单向旋转功能的端面螺旋槽H2.操作参数对密封泄漏量的影响2.1密封直径、转速对泄漏量的影响密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，气膜密封的泄漏量就越大。2.2密封介质压力对泄漏量的影响不难想象，在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。2.3介质温度、介质粘度对泄漏量的影响介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的。介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此，其对密封泄漏量的影响不是很大。H气膜密封的功耗H密封尺寸及转速对泄漏量的影响H压力、温度及气体性质对泄漏量的影响H5.气膜密封典型结构压缩机用单端面气膜密封(singledrygasseal)工艺介质侧大气侧洁净的阻塞气体阻塞气体泄漏HHH压缩机双端面气膜密封(doubledrygasseal)泄漏泄漏工艺流体侧大气侧阻塞气体HHH压缩机串联式气膜密封(tandemseal)阻塞气体工艺介质侧大气侧泄漏泄漏HHH压缩机带级间迷宫密封的串联式气膜密封工艺侧大气侧干净阻塞气体中性阻塞气体泄漏中性阻塞气体H压缩机带外置阻塞迷宫密封的串联式气膜密封阻塞密封气次级泄漏及阻塞HHH泵用双端面气膜密封H泵用串联式气膜密封H低速搅拌器用气膜密封H6.气膜密封监控系统气膜密封需要借助流量表来监视气膜密封的运转情况。当气膜密封的气体泄漏量超过一定值时，表明气膜密封损坏。H气膜密封系统流程1.外引主密封气（氮气）通过截止阀2.单向阀I（防止备用密封气工作时备用密封气泄漏）3.过滤器（3μm以下，保证向气膜密封提供干净的密封气）4.减压阀（保证向气膜密封腔提供一个高于泵密封腔压力0.2MPa的一个稳定压力）5.节流孔板（防止密封失效时，大量密封气泄漏，造成压力下降，影响其它密封的运行）6.压力表（可以直观地与减压阀上的压力表相比，判断密封失效与否）7.流量计（通过观察流量计的流量，可以比较直观地检查气膜密封的泄漏量→压力开关（可以在密封失效时，因密封腔建立不了压力，压力降低而向中控室发出报警信号）8.单向阀Ⅱ（防止密封泄漏时，密封介质反窜，污染密封气，同时对系统元件造成损坏）。H6.1压缩机用单端面气膜密封系统（API617）H6.2压缩机用双端面气膜密封系统（API617）H6.3压缩机用串联式（带中间梳齿）气膜密封系统（API617）H6.4压缩机用串联式（不带中间梳齿）